锡沂研究院在透明陶瓷关键核心技术领域取得新突破

陶瓷，大家都不陌生，但有多少人见过如玻璃般透明的陶瓷？日前，记者走进江苏师范大学江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心产业化基地——江苏锡沂高新材料产业技术研究院，不同应用场景的新型透明陶瓷令人大开眼界。“这是透明陶瓷复合装甲，别看它很轻薄，但强度比厚其两倍的钢化玻璃还要高；这种透明陶瓷如保鲜膜一样柔软轻薄，可以应用于薄片荧光陶瓷、智能终端保护外屏等。”江苏师范大学物理与电子工程学院副院长、江苏锡沂高新材料产业技术研究院负责人张乐如数家珍。

透明陶瓷是“光”功能和陶瓷载体的美妙结合。回顾其60余年发展历程，从最初的“半透明”到现在的完全透明，其材料体系、制备手段日趋丰富，材料光学性能大幅度提升。作为新一代光功能材料，透明陶瓷在固体激光、防护装甲、固态照明等关键领域具有极大应用潜力。

“陶瓷变透明需要满足3个极为严苛的条件，第一是不能有任何杂质，第二是不能有任何气孔，第三是陶瓷内部需要保证绝对均匀。”张乐拿起桌上的一只陶瓷茶杯介绍，传统的陶瓷制品，其内部实际上很粗糙，有很多气孔。既然变透明这么难，为什么还要迎难而上？因为相较于玻璃，透明陶瓷优势明显。“首先，陶瓷的热导率高达玻璃的5倍及以上。光透过介质，不可避免会产生损耗，这种损耗会转化成热，玻璃的热量散不出去，因此容易炸裂，而透明陶瓷可以很好地导热。其次，陶瓷是我国传统文化的典型代表，我们在异形结构、大尺寸陶瓷烧制技术以及缺陷控制等方面有着先天的优势。”张乐解释道。

球磨、干燥、脱脂排胶、真空烧结、退火……每一件透明陶瓷产品都需要经过5—8次的高温烧结，每一次烧结往往需要十几个小时，这其中任何一步出现问题都会导致产品整个报废。长期以来，我国在高性能透明陶瓷原料粉体及大尺寸均匀成型与烧结技术(装备)等方面，与日本、美国、法国等国家存在明显差距。为此，10年前，江苏师范大学开始布局相关技术研发，尝试开发基于多维度极限尺寸(高长径比、超薄、大尺寸)几何构型的透明陶瓷产品。

“针对不同的应用场景，透明陶瓷有不同的形态，但每种形态都必须考虑到光电转化过程中散热等核心问题，无疑给技术研发增加了很大难度。”经过不懈努力，团队最终攻克了凝胶注模、水基流延、挤出成型、喷雾造粒这4项透明陶瓷高质量成型关键技术，为多维度极限尺寸透明陶瓷的精密成型与创新应用提供了系统解决方案。目前相关技术和产品分别在风华高科、格利尔等12家企业得到推广应用，近两年销售额近19亿元。

以前想要制备一块高质量的激光陶瓷，必须使用日本或法国的原料、德国的设备和美国的热等静压机等，甚至连使用的球磨子都需要从国外进口。为解决原料和生产设备“卡脖子”难题，2019年10月，张乐带领团队与省内多家企业深度合作，联合攻关。“如何在保证高纯度原料的情况下，提升粉料的烧结活性？如何保证烧结热场均匀？这些既是难点，也是我们不断‘死磕’的重点。”经过4年多技术攻关，团队最终在透明陶瓷生产所需的核心原材料和关键装备等方面基本实现国产化。

在透明陶瓷原料中加入不同的稀土元素，可应用于不同的场景。“加入钕离子，可以制作透明激光陶瓷；加入铈离子，可以制作效率更高、热稳定性更好的荧光陶瓷。”研究院高技术陶瓷项目小组负责人邵岑举例说，现在汽车上使用的LED大灯，核心光转换材料多为树脂基材料，背后需要很大的散热系统。但如果换成陶瓷基的激光照明光源，即便长时间工作产生大量热量，在近2000摄氏度高温下烧制而成的陶瓷也不会出现发黑、炸裂等问题。正因于此，部分高端汽车的激光大灯、高功率的激光显示等目前已开始使用荧光陶瓷材料。

“今年起产品订单量大幅提升，这给了我们极大的信心和更多的期待。”张乐表示，除了继续扩大民用领域市场份额，团队下一步将聚焦国家重大工程，开展空天激光陶瓷、储能蓄光陶瓷等产品研发。